基于3D打印參數信息的可視化軟件設計與實現

陳瑞濤++程璟星++宮劍

摘 要3D打印技術是近年來備受關注的一項新型技術，3D打印信息可視化軟件是一款專門針對3D激光打印機打印過程參數可視化顯示的客戶端軟件。通過采用RS232通訊協議，設置合適的串口通訊參數，將3D打印過程中的參數實時可視化顯示在界面。在實時顯示過程中，用戶可以調整接收信息的顯示方式，同時在文本文檔中記錄了參數信息，方便用戶停止測試后讀取相關數據信息。

【關鍵詞】3D打印 可視化 軟件設計

1 應用背景

三維打印技術作為一種快速成型的技術，它是通過建立一個數字模型文件作為基礎，運用可粘合性材料如粉末狀金屬、塑料等，逐層打印，最終實現物體的三維構造。市面上的產品大多是三軸的，是基于平面上的累積打印。基于非展開曲面表面3D打印是一種五軸聯動打印技術，一種基于立體空間上可以直接在曲面上打印圖形的技術。其工作原理是利用五軸聯動機構運動移動被打印曲面，使打印噴頭方向始終垂直與打印面，在曲面表面按需求噴射表面墨水，同時用激光固化表面墨水，最后形成所需圖形。主要包括控制噴墨位置的五軸聯動模塊、用于噴墨的噴墨打印模塊、激光固化。

在3D打印裝置打印過程中，噴頭壓力、噴射頻率、激光功率等參數對打印質量有著重要的影響，這些參數在不同的打印階段都會不同。需要對其進行跟蹤測試，為后續3D打印裝置的調整和進一步開發提供數據積累。本設計為一款3D打印參數信息的可視化軟件，可以清楚的跟蹤到當前設備的運行情況，保證打印質量，為設備的進一步開發提供數據支持。

2 開發平臺和編程語言

2.1 基于.NET開發框架C#語言

Visual Studio .NET框架作為一種新的計算開發平臺，有效的降低了應用程序在Internet環境中的設計開發的難度。

.NET框架包含有公共語言運行庫以及框架類庫組件。其中作為.NET框架的基礎的公共語言運行庫，好比是一個在執行過程中管理程序代碼的代理，不僅可以用于提供核心服務，也可以強制性的實施嚴格的類型安全并且確保安全性。因此，這種代碼管理的概念是運行庫的基本原則，根據是否將運行庫作為目標可以把代碼區分為托管代碼和非托管代碼。類庫是.NET框架的又一個重要組件部分，是一個面向對象的類型集合，且能夠重用，開發人員通過它開發的應用程序可以是基于傳統的命令行的，也可以是基于圖形用戶界面的應用程序，甚至是基于ASP.NET所提供的最新創新的應用程序。開發人員能夠使用非托管組件來承載.NET框架，并且將公共語言運行庫加載到這些組件的進程中，同時開啟托管代碼執行，創建出一個擁有托管和非托管功能的軟件環境。

C#編程語言是可以直接在.NET Framework上運行的、面向對象、由微軟公司發布的一種高級程序設計語言。它具有單一繼承、接口的特點，是與COM無縫集成的，它是ECMA與ISO標準的規范，是構成.NET Windows網絡框架的絕對主力。C#的功能強大，可以跨平臺操作，C#語言簡單快捷，因此我們選擇C#語言作為目標軟件的設計語言。

2.2 RS-232串口通信

RS-232標準是由美國公司EIA、BELL等合作開發的一種通信協議，它于1969年公布。這個標準主要用于傳輸速率在20Kb/s以下的數據通信，對于諸如每根信號線的功能、相關設備的電氣特性等有關串行通信的接口問題都作了明確的規定。RS-232作為一種通用標準廣泛應用于各種微機的通信中，各個通信廠家都生產與能夠其兼容的通信設備。

RS-232總線設置了包括一個主通道以及一個輔助通道在內的共25條信號線，且并不全部使用，在大部分的信號通訊中都使用主通道信號線，例如只需要一條發送信號線、一條接收信號線和一條地線3條信號線就可滿足一般的雙工通信的需求。RS-232-C標準設置了多種數據傳輸速率，常用的波特率有4800、9600、19200等。由于RS-232通訊是由單端信號傳送實現的，受到共地噪聲的干擾，對于共模干擾沒有很好的抑制辦法，因此RS-232的信號傳輸的距離短，其通訊距離一般不超過20m。

RS-232通信的接線原則是：將接收數據的針腳和發送數據的針腳彼此交叉連接，信號的地線對應相連。

3 軟件設計以及實現功能

3.1 軟件功能設計思路

3D打印參數信息的可視化軟件應實現的功能包括串口參數設計以及對壓力、噴射頻率、激光功率的實時數據采集，輸出目標參數，實時顯示壓力、噴射頻率、激光功率，并輸出目標波形。這就要求軌跡跟蹤軟件的界面應該具有實時數據顯示窗口和參數變化圖形顯示窗口，并實時輸出壓力、噴射頻率、激光功率波形圖像。這些參數是硬件設備在工作過程中，通過串口發送給用戶的，因此，軟件功能設計的流程如表1所示。

3.2 軟件界面以及功能展示

按照上述提出的設計要求，實時數據顯示窗口和參數變化圖形顯示窗口是軟件界面的主要部分。其中，實時數據顯示窗口是3D打印設備操作中及時顯示壓力、噴射頻率、激光功率的實時數據，參數變化圖形顯示窗口輸出壓力、噴射頻率、激光功率的變化曲線，直觀，占據窗口較大的面積。參數設置區域主要包括串口名設置和波特率的設置，以確保3D打印設備間的實時正常通信。設計界面如圖1所示。

通過拖動輸出壓力、噴射頻率、激光功率波形圖上的滾動條可以查看測試數據的參數歷史信息。也可以通過點擊圖2所圈的顯示按鈕來查看參數歷史信息，得到的輸出壓力、噴射頻率、激光功率的數據波形圖，如圖3所示。

并且在打開串口通訊之后，實時測到的數據會記錄保留在“D：＼打印記錄.txt”文件中，如圖4所示。

4 結論

本文對3D打印參數信息可視化軟件設計與實現進行了展示。通過RS-232串口通訊協議，將3D打印機參數信息發送給客戶端，上位機對接收信息進行處理后，將3D打印參數（包括采樣壓力、噴射頻率、激光功率），實時可視化展示在用戶界面。用戶根據波形圖的變化可以決定在后續打印過程中，參數應該如何調整。

軟件主要有以下兩個優點：

（1）專門針對3D打印信息可視化展示而所設計，因此針對性強。通訊采用RS-232協議，短距離調試下，誤碼率低。

（2）可以實時觀測參數動態變化，為及時調整參數提供先驗信息。

在今后的研究中，可以將軟件的功能更加趨于完善，通過客戶端軟件，來控制3D打印機工作。這樣可以使用戶通過軟件操作設備工作，簡化工作方式，效率提高。

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作者簡介

陳瑞濤（1988-），男，山西省清徐縣人。碩士學位。現為中國電子科技集團公司第三十三研究所工程師。主要研究方向為軟件控制及計算機技術應用。

作者單位

中國電子科技集團公司第三十三研究所 山西省太原市 030032